[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Katalysatorträgerkörper nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Katalysatorträgerkörper werden vorzugsweise
zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren eingesetzt und sind dementsprechend
hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.
[0002] Aus der DE-A-33 12 944 ist bereits ein spannungsentlastetes Metallträgergehäuse für
Abgaskatalysatoren mit hoher thermischer Betriebsbelastung bekannt, welcher aus abwechselnden
Blechlagen eines glatten und eines gewellten Bleches besteht, wobei fügetechnische
Verbindungen nur an bestimmten Berührungsstellen zwischen den beiden Blechlagen vorgesehen
sind. Ein solcher Katalysatorträgerkörper ist jedoch nur mit einer aufwendigen Belotungstechnik
herstellbar und im fertigen Zustand auch nur begrenzt elastisch.
[0003] Aus der DE-C-27 59 559 ist ferner ein aus zwei abwechselnden Blechlagen geschichteter
metallischer Katalysatorträgerkörper bekannt, bei dem beide Blechlagen eine unterschiedliche
Struktur aufweisen. Abgesehen von den Schwierigkeiten bei der Herstellung der dort
beschriebenen Struktur weist ein solcher Katalysatorträgerkörper keine besondere Elastizität
gegenüber thermischen Wechselbelastungen auf.* Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist ein metallischer Katalysatorträgerkörper, welcher in fertig gewickeltem oder geschichtetem
Zustand eine gewisse Elastizität aufweist, wodurch thermische Spannungen leichter
kompensiert werden können.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysatorträgerkörper aus zwei abwechselnden
Blechlagen unterschiedlicher Struktur mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
vorgeschlagen. Entscheidend ist, daß die beiden Blechlagen zumindest in Teilbereichen
gegeneinander eine Doppel- oder Mehrfachwellenstruktur aufweisen, wobei dies entweder
durch entsprechende Welligkeit beider Blechlagen oder durch eine Doppel- bzw. Mehrfachwellenstruktur
nur einer Blechlage erreicht werden kann. Durch eine solche Doppel- bzw. Mehrfachwellenstruktur
wird erreicht, daß die Anzahl der Berührungsstellen zwischen den beiden Blechlagen
verringert ist und in einzelnen Teilbereichen Abstände zwischen den beiden Blechlagen
bleiben, wodurch die Elastizität der entstehenden Struktur entscheidend verbessert
wird, ohne daß sich die sonstigen Eigenschaften verschlechtern. Die in Teilbereichen
entstehenden Spalte zwischen den einzelnen Blechlagen können sogar zu einer zusätzlichen
Verwirbelung hindurchströmender Gase führen, was durchaus erwünscht ist. Wie anhand
der Zeichnung noch näher erläutert wird, gibt es verschiedene Wege, um eine Doppel-
oder Mehrfachwellenstruktur zwischen den Blechlagen zu erreichen und diese zu beschreiben.
Unter Wellenstruktur ist im folgenden nicht grundsätzlich nur eine sinusförmige Struktur
zu verstehen, sondern auch jede andere periodische Struktur, sei es eine zickzack-
oder trapezförmige Verformung der Bleche. Außerdem braucht die Mehrfachstruktur sich
nicht über den gesamten Katalysatorträgerkörper zu erstrecken. Eine Elastizität von
Teilbereichen, insbesondere den äußeren Lagen im Mantelbereich, genügt für die meisten
Anforderungen. In allen Fällen soll die Wellenlänge mit der größten Amplitude die
Wabenstruktur des Katalysatorträgerkörpers bestimmen, während alle übrigen Wellungen
deutlich längere, zumindest aber nicht wesentlich kleinere Wellenlängen haben. Unter
diesen Bedingungen lassen sich die Strukturen z. B. mit nur einem Zahnwalzenpaar und
in den gewünschten Dimensionen der Wabenkanäle von z. B. etwa 1 - 3 mm2 wirtschaftlich
herstellen.
[0005] In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen, daß eine
der Blechlagen des Katalysatorträgerkörpers ein glattes Blech und die andere ein doppelt
gewelltes Blech sein soll. Dabei bedeutet doppelt gewelltes Blech, daß dieses Blech
zwei sich überlagernde oder abwechselnde Wellungen verschiedener Amplitude und/oder
Wellenlänge aufweist.
[0006] In weiterer Ausgestaltung dieses Gedankens wird"im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß
das doppelt gewellte Blech die Struktur zweier überlagerter Wellen aufweist, deren
erste eine erheblich größere Amplitude hat als die zweite und wobei die Wellenlänge
der zweiten ein Vielfaches der halben Wellenlänge der ersten Welle beträgt. Es hat
sich z. B, als geeignet erwiesen, das Verhältnis der Amplituden größer als 5:1, vorzugsweise
etwa 10:1 zu wählen. Ein geeignetes Verhältnis der Wellenlängen ist beispielsweise
3:1, d. h. die längere Wellenlänge beträgt das Sechsfache der halben Wellenlänge der
kürzeren. Andere Verhältnisse sind jedoch möglich.
[0007] Als alternative Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß
das doppelt gewellte Blech die Struktur zweier sich abwechselnder Wellen unterschiedlicher
Amplituden und eventuell unterschiedlicher Wellenlängen aufweist, wobei sich jeweils
eine halbe Wellenlänge oder Vielfache davon jeder der Wellen abwechseln. Diese anhand
der Zeichnung näher erläuterte Ausführungsform überschneidet sich teilweise mit den
Ausführungsformen gemäß dem Anspruch 3, so daß es sich für solche Fälle nur um eine
unterschiedliche Beschreibung der Gegebenheiten handelt. Beide Ausführungsformen gemäß
den Ansprüchen 3 und 4 lassen sich gemäß Anspruch 5 beispielsweise durch ineinandergreifende
Zahnwalzen mit unterschiedlichen Zahnhöhen herstellen, sofern nur der Walzenumfang
und die beteiligten Wellenlängen entsprechend abgestimmt sind.
[0008] In anderer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 6 vorgeschlagen, daß beide
abwechselnden Blechlagen eine Wellenstruktur aufweisen, wobei die Amplitude der Wellenstruktur
der einen Blechlage viel kleiner ist als die Amplitude der Wellenstruktur der anderen
Blechlage, z. B. nur ein Fünftel oder ein Zehntel. Außerdem muß die Wellenlänge der
Wellenstruktur der einen Blechlage mit der kleineren Amplitude erheblich größer sein
als die Wellenlänge der Wellenstruktur der anderen Blechlage. Ein bestimmtes Verhältnis
der Wellenlängen untereinander ist nicht nötig, so daß ein breiter Spielraum besteht.
Beim spiraligen Aufwickeln der beiden gewellten Blechlagen entsteht wiederum eine
Struktur, bei denen in gewissen Abständen Berührungsstellen zwischen den beiden Blechlagen
vorkommen, während in anderen Bereichen kleine Spalte zwischen den Blechlagen bestehen
bleiben. Durch eine gewisse Vorspannung beim Aufwickeln können gewünschte Spaltbreiten
recht genau eingestellt werden. Durch das spiralige Aufwickeln entsteht eine unregelmäßige
Struktur, die sich von denen gemäß den Ansprüchen 1 - 4 dadurch unterscheidet, daß
die Berührungspunkte der einzelnen Lagen unregelmäßiger verteilt sind. Trotzdem ergibt
sich insgesamt der gleiche Effekt bezüglich der Elastizität und thermischen Belastbarkeit.
[0009] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 7 vorgeschlagen, daß die
Berührungsstellen der Blechlagen fügetechnisch verbunden sind, vorzugsweise verlötet.
Diese Ausgestaltung, welche im Ergebnis zu ähnlichen Vorteilen führt, wie sie in der
DE-A-33 12 944 beschrieben sind, läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörper
sehr viel einfacher verwirklichen, als bei einfach gewellten Blechen. Entweder können
die Wellenberge mit größerer Amplitude vor dem Aufwickeln selektiv belotet werden,
oder die Berührungsstellen der Blechlagen werden nach dem Aufwickeln belotet oder
anderweitig fügetechnisch verbunden. Ein solcher Katalysatorträgerkörper weist eine
hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitiger Elastizität auf. Thermische Spannungen
und Wechselbelastungen, denen ein solcher Katalysatorträgerkörper ausgesetzt ist,
insbesondere dann, wenn er in einem massiven Mantelrohr untergebracht ist, werden
von der elastischen Struktur ohne Beschädigungen aufgenommen, so daß sich die Lebensdauer
des Katalysatorträgerkörpers entscheidend erhöht.
[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt
und zwar als kleine stark vergrößerte Ausschnitte jeweils einer Schicht. Der Einfachheit
halber wurde darauf verzichtet, den Ausschnitt jeweils gekrümmt darzustellen, wie
es der Wirklichkeit bei spiralig aufgewickelten Katalysatorträgerkörpern entsprechen
würde. Es zeigen
Figur 1 eine Schicht aus einem glatten und einem doppelt gewellten Blech, wobei die
Doppelwellenstruktur durch Uberlagerung zweier Wellen beschrieben werden kann,
Figur 2 einen Ausschnitt einer Schicht aus einem glatten und einem doppelt gewellten
Blech, wobei die Doppelwellenstruktur durch abwechselnde Wellen unterschiedlicher
Amplitude beschrieben werden kann,
Figur 3 und Figur 4 Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zwei unterschiedlich stark gewellten Blechlagen,
wobei in Figur 3 die eine Blechlage in Zick-Zack-Form gewellt ist, während in Figur
4 beide Blechlagen etwa Sinusform aufweisen.
[0011] Anhand der Figuren 5 bzw. 6 werden die Doppelwellungen der Figuren 1 bzw. 2 näher
veranschaulicht.
[0012] Figur 1 zeigt einen kleinen begradigten Abschnitt aus einem erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörper.
Der Körper besteht aus abwechselnd gewickelten bzw. geschichteten glatten Blechen
11 und doppelt gewellten Blechen 12. Die Doppelwellung weist Wellenberge 13 auf, welche
die benachbarte Lage 11 nicht berühren und Wellenberge 14, mit größerer Amplitude,
welche die benachbarte glatte Lage 11 berühren. Die Berührungspunkte 15 können fügetechnisch
verbunden sein. Dadurch, daß nicht jeder Wellenberg mit dem angrenzenden glatten Blech
11 verbunden ist, entsteht ein elastisches Gebilde, welches Dehnungen kompensieren
kann. Die Entstehung einer solchen Doppelwellung kann anhand Figur 5 veranschaulicht
werden. Durch Überlagerung einer Welle 16 mit der Wellenlänge λ
1 und der Amplitude A
1 einer Welle 17 mit der Wellenlänge λ
2 und der Amplitude A
2 entsteht die gewünschte Doppelwellung. Zü beachten ist dabei, daß das Verhältnis
der Amplitude A
1 zu A
2 > 5:1, vorzugsweise 10:1 sein sollte. Die Wellenlänge λ
2 sollte ein Vielfaches der halben Wellenlänge λ
1 sein, da sich dann eine solche Struktur mittels Zahnwalzen herstellen läßt. Bei anderen
Herstellungsmethoden ist ein genaues Verhältnis der Wellenlängen nicht unbedingt nötig.
[0013] In Figur 2 ist eine etwas andere Form der Doppelwellung für ein gewelltes Blech 22
zwischen Lagen aus glatten Blechen 21 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wechseln sich Wellen 23 mit kleiner Amplitude und Wellen 24 mit großer Amplitude ab,
so daß wiederum nicht alle Wellenberge die benachbarte glatte Blechlage 21 berühren.
Die Berührungspunkte 25 können wiederum fügetechnisch verbunden sein. Es bleibt den
jeweiligen Anforderungen an die Elastizität überlassen, wie viele Halbwellen kleiner
Amplitude mit wie vielen Halbwellen großer Amplitude jeweils abwechselnd angeordnet
werden. Figur 6 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau einer solchen Doppelwellenstruktur.
Eine oder mehrere Halbwellen 27 mit kleiner Amplitude A
3 wechseln sich mit einer oder mehreren Hallowellen 26 großer Amplitude A
4 ab. Zusätzlich können die Wellenlänge Ä3 der Welle mit kleiner Amplitude A
3 und die Wellenlänge λ
4 der Welle 26 mit großer Amplitude A
4 unterschiedlich sein, je nach den Anforderungen und Herstellungsverfahren. Auch diese
Doppelwellenstruktur läßt sich beispielsweise mit Hilfe von ineinandergreifenden Zahnwalzen
herstellen.
[0014] Figur 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem beide Blechlagen
31, 32 eine Wellenstruktur aufweisen. Das eine Band 31 weist eine Zick-Zack-Struktur
mit Knickstellen 33 auf, während das andere Blechband 32 eine übliche Wellung aufweist.
Die Zick-Zack-Wellung des einen Blechbandes 31 hat eine sehr viel größere Wellenlänge
und eine sehr viel kleinere Amplitude als die Wellung des anderen Blechbandes 32..
Eine genaue Beziehung der Wellenlängen und Amplitudenverhältnisse ist nicht notwendig,
da beide Wellungen getrennt hergestellt werden und durch geeignete Vorspannung beim
Aufwickeln die Amplituden noch beeinflußt werden können. Es entsteht wiederum eine
Struktur, bei der nicht alle Wellenberge die angrenzenden Blechlagen berühren, so
daß nur einzelne Berühr ungstellen 35 auftreten, die gegebenenfalls fügetechnisch
verbunden werden können.
[0015] In Figur 4 ist ein sehr ähnliches Ausführungsbeispiel zu Figur 3 dargestellt, jedoch
sind hier beide Bleche 41, 42 etwa sinusförmig gewellt, wenn auch wie oben mit unterschiedlicher
Wellenlänge und Amplitude. In Figur 4 ist die Amplitude des schwächer gewellten Bleches
41 stark übertrieben, um das Prinzip zu verdeutlichen. Beim spiraligen Aufwickeln
solcher Bleche ändern sich wegen des zunehmenden Umfangs der einzelnen Lagen die Konstellationen
der Berührungspunkte 45 der Bleche, was.'j
pdoch in der Summe die Eigenschaften des entstehenden Katalysatorträgerkörpers nicht
beeinträchtigt.
[0016] Die in der Zeichnung begradigt dargestellten Abschnitte zeigen das Wesen der Erfindung
in idealisierter Form. Beim Aufwickeln derart strukturierter Bleche kann sich die
Zahl der Berührungspunkte wieder erhöhen, jedoch bleiben genügend Freiräume vorhanden,
um eine Elastizität des gewiekelten Körpers sicherzustellen.
[0017] Die erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörper weisen eine gegenüber herkömmlichen
Typen verlängerte Lebensdauer auf, da sie selbst beim Einbau in ein massives Mantelrohr
durch ihre Elastizität Dehnungen besser aufnehmen können. Dabei genügt es-meist, nur
einen relativ kleinen Bereich, beispielsweise 5 - 10 Lagen, vorzugsweise im Außenbereich,
erfindungsgemäß mit Mehrfachstruktur zu versehen, während die übrigen Bereiche wie
bisher geformt sein können. Für solche Fälle eignen sich für die Herstellung der Mehrfachstruktur
z. B. zuschaltbare Zahnwalzen, die bei Bedarf eines der Blechbänder mit einer zusätzlichen
(langwelligeren) Wellenstruktur versehen.
1. Aus zwei abwechselnden Blechlagen (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) unterschiedlicher
Struktur gewickelter oder geschichteter metallischer Katalysatorträgerkörper,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blechlagen (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) zumindest in Teilbereichen zueinander
eine Doppel- oder Mehrfachwellenstruktur aufweisen, indem eine der Blechlagen (12;
22) eine Wellenstruktur aus mindestens zwei überlagerten oder abwechselnden Wellen
unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2; λ3, λ4) und/oder Amplitude (Al, A2; A3,A4) aufweist und/oder indem beide Blechlagen (31, 32; 41, 42) Wellenstrukturen
unterschiedlicher Wellenlänge und/oder Amplitude aufweisen, wodurch in beiden Fällen
die Anzahl der Berührungsstellen (15; 25; 35; 45) zwischen den beiden Blechlagen (11,
12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) verringert und die Elastizität der entstehenden Struktur
erhöht ist, wobei keine der Wellenlängen (λ2; λ3) erheblich kleiner als die Wellenlänge (λ1; λ4) mit der größten Amplitude ist.
2. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Blechlage (11; 21) ein glattes Blech und die andere (12; 22) ein doppelt
gewelltes Blech ist.
3. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das doppelt gewellte Blech (12) die Struktur zweier überlagerter Wellen (16, 17)
aufweist, deren erste (16) eine erheblich größere Amplitude (A ) hat als die zweite
(17) und wobei die Wellenlänge ( λ 2) der zweiten (17) ein Vielfaches der halben Wellenlänge (λ1) der ersten Welle (16) beträgt.
4. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das doppelt gewellte Blech (22) die Struktur zweier sich abwechselnder Wellen
(26, 27) unterschiedlicher Amplituden (A3, A4) und eventuell unterschiedlicher Wellenlängen (λ3, λ4) aufweist, wobei sich jeweils eine halbe Wellenlänge oder Vielfache davon jeder der
Wellen (26, 27) abwechseln.
5. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das doppelt gewellte Blech (12; 22) mittels ineinandergreifender Zahnwalzen mit
unterschiedlichen Zahnhöhen hergestellt ist.
6. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide abwechselnden Blechlagen (31, 32; 41, 42) eine Wellenstruktur aufweisen,
wobei die Amplitude der Wellenstruktur der einen Blechlage (31; 41) viel kleiner ist
als die Amplitude der Wellenstruktur der anderen Blechlage (31; 41) und wobei die
Wellenlänge der Wellenstruktur der einen Blechlage (31; 41) mit der kleineren Amplitude
erheblich größer ist als die Wellenlänge der Wellenstruktur der anderen Blechlage
(32; 42).
7. Katalysatorträgerkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Berührungsstellen (15; 25; 35; 45) der Blechlagen (11, 12; 21, 22; 31, 32;
41, 42) fügetechnisch verbunden sind, vorzugsweise verlötet.